JP4283311B2 - 反射鏡装置 - Google Patents

Description

この発明は、天体からの観測光や、ミリ波、サブミリ波を受信して天体観測を行う大型望遠鏡などに用いられ、複数の分割鏡からなる反射鏡の鏡面を高精度に支持する反射鏡装置に関するものである。

宇宙からの観測光や電波を受信して天体観測する望遠鏡システムは、より高分解能で高精度な観測を行うため、近年益々システムの大型化が進んでいる。特に望遠鏡システム内の反射鏡部分は、開口径が数ｍクラスの場合には一枚鏡のものが主流である。しかし、開口径が数十ｍ以上の反射鏡は、もはや一枚鏡では製造上の問題があるため、これを分割された鏡（以下、分割鏡と記載する）を複数組み合せて、１つの反射鏡を構成する技術が開発されてきた。例えば、日本特許出願である特開２００３−１８８６４１号公報には、従来の反射鏡装置が示されている。この特開２００３−１８８６４１号公報に開示された反射鏡装置は、複数の分割鏡を配列して１枚の反射鏡を構成するものであり、これらの分割鏡は、支持構造であるバックストラクチャにアクチュエータを介して支持されるものである。

この従来の支持方法による反射鏡装置においては、光軸方向を駆動範囲内で変化するために、反射鏡装置全体を姿勢変化させたことに起因して生じるバックストラクチャの自重変形や、吹き付けられる風の圧力によるバックストラクチャの変形、温度分布によって生じるバックストラクチャの変形が、分割鏡により構成される反射鏡の鏡面精度を劣化させるという問題点があった。このようにバックストラクチャに生じる変形は、全体構造において生じるモード変形のみならず、不均一に局所的に変形する場合もあり、モード変形の推定による形状維持制御などの手法では除去できず、分割鏡の局所的な位置ずれを生ぜしめ、反射鏡の鏡面精度が劣化するという問題点もあった。
特開２００３−１８８６４１号公報

この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたものであり、複数の分割鏡からなる反射鏡の鏡面を高精度に支持する反射鏡装置を得ることを目的とする。

この発明に係る反射鏡装置は、複数の分割鏡を配置して形成する反射鏡と、この反射鏡を支持するミラーセルと、上記反射鏡と上記ミラーセルとの間に設けられた構造体であって、上記反射鏡の位置制御の基準面となる規準セルとを備えたものである。さらに、上記規準セルと上記ミラーセルとの間に３つの規準セル支持機構を備え、この規準セル支持機構は、上記反射鏡のアキシャル軸方向及び円周方向について上記規準セルを拘束するものとする。さらに、上記規準セルと上記ミラーセルとの間に、上記規準セルの自重変形をキャンセルするための力支持機構を備え、上記力支持機構は、ミラーセル上の支点に設けたアキシャルてこと、このアキシャルてこの端部を支点とし、一端を規準セルに連結したラテラルてことを具備したものとする。

また、上記規準セルはハニカム構造を有し、このハニカム構造の各セル毎に、複数の分割鏡を支持するサブミラーセルを備えたものとする。さらに、上記サブミラーセルと上記分割鏡との間に、上記分割鏡を位置決めするアクチュエータを備えるものとする。

また、上記規準セルと上記ミラーセルとの間に、上記規準セルを支持する流体支持機構を備えるものとする。

この発明に係る反射鏡装置は、複数の分割鏡を配置して形成する反射鏡と、この反射鏡を支持するミラーセルと、上記反射鏡と上記ミラーセルとの間に設けられた構造体であって、上記反射鏡の位置制御の基準面となる規準セルとを備えたものである。この構成によって、規準セルを基準として、反射鏡を位置制御するので、高精度な反射鏡の位置決め制御を行うことができる。さらに、上記規準セルと上記ミラーセルとの間に３つの規準セル支持機構を備え、この規準セル支持機構は、上記反射鏡のアキシャル軸方向及び円周方向について上記規準セルを拘束するものとする。この構成によって、ミラーセルの変形の影響が少ない規準セルを基準として、反射鏡を位置制御するので、高精度な反射鏡の位置決め制御を行うことができる。さらに、上記規準セルと上記ミラーセルとの間に、上記規準セルの自重変形をキャンセルするための力支持機構を備え、上記力支持機構は、ミラーセル上の支点に設けたアキシャルてこと、このアキシャルてこの端部を支点とし、一端を規準セルに連結したラテラルてことを具備したものとする。この構成によって、規準セルの自重変形が抑制され、この規準セルを基準として高精度な反射鏡の位置決め制御を行うことができる。

また、上記規準セルはハニカム構造を有し、このハニカム構造の各セル毎に、複数の分割鏡を支持するサブミラーセルを備えたものとする。この構成によって、規準セルの軽量化を図ることができ、さらに反射鏡装置全体を軽量化することができる。さらに、上記サブミラーセルと上記分割鏡との間に、上記分割鏡を位置決めするアクチュエータを備えることによって、分割鏡ごとに位置決め制御を行うことができ、反射鏡鏡面精度を向上させることができる。

また、上記規準セルと上記ミラーセルとの間に、上記規準セルを支持する流体支持機構を備えるものとする。この構成によって、固定支持機構や力支持機構を採用した場合に比べて部品点数が少なく、規準セルを支持する構成を簡素化することができる。

図１は、この発明の実施の形態１に係る反射鏡装置の構成を示す構成図である。 図２は、この発明の実施の形態１に係る反射鏡装置の規準セルの構成を示す構成図である。 図３は、この発明の実施の形態１に係る固定支持機構の構成の一例を示す構成図である。 図４は、この発明の実施の形態１に係る力支持機構の構成の一例を示す構成図である。 図５は、この発明の実施の形態１に係る制御系を含む反射鏡装置の構成を示す構成図である。 図６は、この発明の実施の形態２に係る反射鏡装置の構成を示す構成図である。 図７は、この発明の実施の形態２に係る反射鏡装置の流体圧支持機構の構成を示す構成図である。

符号の説明

１ 分割鏡
３ サブミラーセル
５ ミラーセル
６ 規準セル
７ 規準セル支持機構
８ 力支持機構
１３ アキシャルてこ
１５ ラテラルてこ
１９ アクチュエータ
２３ 流体圧支持機構

実施の形態１

この発明の実施の形態１に係る反射鏡装置を図１乃至図５により説明する。第１図は実施の形態１に係る反射鏡装置の構成図である。図１（ａ）は反射鏡装置の正面図であり、図１（ｂ）は反射鏡装置の側面図である。図１において、１は分割鏡であり、複数枚の分割鏡１を反射鏡面上（例えば、放物面上、又はその鏡面修正後の面上等）に敷設する。２は複数枚の分割鏡１から形成するクラスタ鏡（図１にて太線で囲まれた領域）であり、図１においては、１９枚の分割鏡１により１つのクラスタ鏡２を形成し、１８個のクラスタ鏡２により反射鏡を形成する。３は分割鏡１を支持するサブミラーセルであり、サブミラーセル３はクラスタ鏡２ごとに設けている。即ち、分割鏡１は、クラスタ鏡２を１つのまとまりとしてグループ化され、このクラスタ鏡２ごとに設けたサブミラーセル３により支持している。１グループとしてのクラスタ鏡２とサブミラーセル３をクラスタと称し、符号４を付す。５は複数のサブミラーセル３を支持するミラーセルである。したがって、分割鏡１はクラスタ４を１つの単位としてグループ化され、構造体であるサブミラーセル３により支持され、複数のサブミラーセル３は構造体であるミラーセル５により支持され、全ての分割鏡１は最終的にミラーセル５によって支持される構成となる。６はミラーセル５に支持される規準セルである。図２は実施の形態１に係る反射鏡装置の規準セルについての構成図である。７はミラーセル５に設けられ規準セル６を固定する固定用支持機構であり、８はミラーセル５に設けられ規準セル６を無重力状態に支持する力支持機構である。固定支持機構７は、規準セル６の３箇所に設けられ、それぞれの固定支持機構７は、２自由度を拘束する機構としており、反射鏡のアキシャル方向と、規準セルの中心に対する円周方向とを拘束する。

規準セル６は、上記のように３箇所に設けた２自由度拘束の固定支持機構７によって、ミラーセル５を規準に空間内での位置が決まる。この固定支持機構７による規準セル６の拘束は過拘束とはなっていないので、固定支持機構７による拘束によって生じる規準セル６の内部変形は抑制された状態にある。この反射鏡による装置が観測方向の変化のために姿勢を変えるような場合、即ち、ミラーセル５の姿勢が変化すると、これに合わせて規準セル６の姿勢も変化する。力支持機構８は、この規準セル６の姿勢変化による自重変形を抑制する。即ち、規準セル６はミラーセル５に設けた複数の力支持機構８によって、ほぼ無重力状態で支持されている。また、規準セル６は軽量であり、かつ全体として剛体であると扱える構造を有するものであり、図２は、規準セル６の構造をハニカム構造としたものを記載している。この規準セル６は、例えば三角形トラス構造とするものでも良い。規準セル６をハニカム構造とすることにより、規準セル６が軽量化され、この軽量化によって、固定支持機構７や力支持機構８の小型軽量化、ミラーセル５の軽量化を図ることができ、反射鏡全体を軽量化することができる。複数の力支持機構８は、例えば図２に示したようにハニカム構造の節点（黒点を付した点）に設けられているが、力支持機構８を適切な間隔に配置することによって、間引くことは可能である。

このように規準セル６を支持することによって、規準セル６の面（反射鏡のアキシャル軸に直交する面）は、自重変形によって生じる反射鏡のアキシャル方向の凹凸が抑制され、分割鏡１及びクラスタ鏡２の反射鏡アキシャル方向の位置制御の基準面として使用することができる。上記のような、反射鏡装置の姿勢変化に伴う自重変形だけでなく、ミラーセル５が外部から受ける風力や、ミラーセル５に生じる温度分布によっても生じる変形に対しても、規準セル６にはその変形が伝わりにくく、規準セル６は、ほぼ剛体として扱うことができ、分割鏡１及びクラスタ鏡２の反射鏡アキシャル方向の位置制御の基準面として使用することができる。なお、規準セル６は、ミラーセル５と反射鏡との間に位置するので、外部からの風力や熱入力を受けにくいものであることも、この発明の特徴となっている。

次に、固定支持機構７と力支持機構８の具体的な構成について説明する。図３は、固定支持機構７の構成の一例を示す構成図である。図３において、９はミラーセル５に固定して設けた支持台であり、１０は支持台９に設けた球面軸受、１１は球面軸受１０と規準セル６との間に設けたリニアガイドである。支持台９、球面軸受１０及びリニアガイド１１によって固定支持機構７を構成することができる。この固定支持機構７は球面軸受１０によって並進３自由度を拘束し、このうち１自由度をリニアガイド１１によって解放するので、結局、１つの固定支持機構によって、規準セル６を並進２自由度拘束することになる。ここで、拘束する並進２自由度の方向は、反射鏡アキシャル方向と規準セル６の中心に対する円周方向である。この固定支持機構７をミラーセル５上に３箇所設けることによって、規準セル６の位置を拘束する。上記のような並進２自由度を拘束する固定支持機構７は、図３に示されるものに限られない。

次に力支持機構８について説明する。図４は力支持機構８の構成の一例を示す構成図である。図４において、１２はミラーセル５に設けた支持台、１３は支持台１２を支点として設けたアキシャルてこであり、１４はアキシャルてこ１３の一方の端部に設けたアキシャルカウンタウェイト、１５は、アキシャルてこ１３の他の端部を支点とするラテラルてこであり、１６はラテラルてこ１５の一方の端部に設けたラテラルカウンタウェイトである。ラテラルてこ１５の他の端部は、規準セル６内のアキシャル方向重心位置に連結する。この構成によって、反射鏡アキシャル方向及びラテラル方向の面内において、アキシャルカウンタウェイト１４、ラテラルカウンタウェイト１６、規準セル６がつり合い関係を為すように、それぞれの重量配分及び位置関係を設定する。このつり合い関係は、ミラーセル５及び規準セル６が傾いても成立することになり、規準セル６を無重力状態で支持している状態を得ることができる。

次に図５に基づいて、分割鏡１及びクラスタ鏡２を位置制御する反射鏡装置の構成について説明する。図５はこの発明の実施の形態１に係る制御系を含む反射鏡装置の構成を示す構成図である。１７は規準セル６に設けられ、規準セル６と１つのクラスタ鏡２の外周部との間の反射鏡アキシャル方向位置を計測するクラスタ位置センサーであり、１８はサブミラーセル３に設けられ、サブミラーセル３と分割鏡１との間の反射鏡アキシャル方向位置を計測する分割鏡位置センサーである。１９はサブミラーセル３上に設けられ、各分割鏡１の反射鏡アキシャル方向位置を変化させるアクチュエータである。２０は、クラスタ位置センサー１７により位置情報が入力され、クラスタ鏡２ごとに位置制御値を指令するクラスタ鏡制御装置であり、２１はクラスタ鏡制御装置２０からの指令値と、分割鏡位置センサーによる位置情報との加算に基づいて、アクチュエータ１９に制御値を指令する分割鏡制御装置である。２２は、クラスタ鏡制御装置２０に対して、外部指令値を入力する外部入力端子である。

上述のとおり、規準セル６は、反射鏡姿勢の変化や、外部からの風圧力、熱入力に対して、安定した形状を維持するので、この規準セル６を基準として分割鏡１及びクラスタ鏡２の反射鏡アキシャル方向位置制御を行う。基準セル６は、ハニカム構造となっており、ハニカムの各セル内にサブミラーセル３を配置している。各サブミラーセル３は各クラスタ鏡２に対応して設けた支持構造となっている。分割鏡１の反射鏡アキシャル方向位置制御は、各分割鏡１と規準セル６との位置関係を計測し、位置計測結果に基づいて算出する位置ずれをもとに各分割鏡を制御する方法もあるが、図５においては、クラスタ鏡２ごとに規準セル６との反射鏡アキシャル方向位置ずれを計測して、各分割鏡１ごとにはサブミラーセル３との位置ずれをもとに反射鏡アキシャル方向の位置を制御する方法を示す。

クラスタ鏡制御装置２０は、各クラスタ鏡２の反射鏡アキシャル方向の代表位置を、各クラスタ鏡２の外周部に設けたクラスタ位置センサー１７による位置測定に基づいて計算する。ここで、計算する代表位置は、各クラスタ鏡２の周辺部に位置するクラスタ位置センサー１７のそれぞれの位置計測値そのものであっても良く、この場合には各クラスタ鏡２の代表位置は複数の位置測定値によって代表される。クラスタ鏡制御装置２０は、算出した各クラスタ鏡２の反射鏡アキシャル方向位置に基づいて、反射鏡全体の面形状が、反射鏡アキシャル方向にどれだけ位置ずれを生じているかを算出することができる。クラスタ鏡制御装置２０は、この位置ずれを除去するように、アクチュエータ１９への指令値を出力する。具体的には、各クラスタ鏡２の外周部に配置したクラスタ鏡位置センサー１７に対応するアクチュエータ１９を動作させて、各クラスタ鏡２の外周部に位置する分割鏡１のアキシャル方向位置を所望の位置に配置するようにアクチュエータを動作させる。各クラスタ鏡２の内部に位置する分割鏡１に対しては、分割鏡位置センサー１８によるアキシャル位置測定値に基づき制御する。クラスタ鏡制御装置２０は各クラスタ鏡２への位置制御を行うにあたり、各クラスタ鏡２内の各分割鏡１への位置制御指令値を出力しており、この指令値と分割鏡位置センサー１８によるアキシャル位置測定値とを加算して、分割鏡制御装置２１へ入力する。分割鏡制御装置２１は、個々の分割鏡１のアキシャル方向位置が、上記の位置制御指令値となるようにアクチュエータ１９に指令値を与えて制御する。

実施の形態２

この発明の実施の形態２に係る反射鏡装置を図６及び図７により説明する。図６は実施の形態２に係る反射鏡装置の構成図である。図６において、２３は流体圧支持機構であり、この流体圧支持機構２３は、ミラーセル５に設けられ、流体圧によって規準セル６を支持するものである。流体圧支持機構２３は、ミラーセル５に複数配置しており、規準セル６の各節点を支持するように設けている。図６に示すミラーセル５、規準セル６及び流体圧支持機構２３によって、図５に示すミラーセル５、規準セル６、力支持機構８、図６に図示しない固定支持機構７を置き換えることにより、反射鏡装置を構成すればよい。この構成による反射鏡装置においても、実施の形態１と同様に、クラスタ位置センサー１７、分割鏡位置センサー１８、アクチュエータ１９、クラスタ鏡制御装置２０、分割鏡制御装置２１による制御を行うことにより、反射鏡の位置制御を行うことができる。

図７は、実施の形態２に係る反射鏡装置の流体支持機構２３の構成を示す構成図である。２４はアキシャル方向に規準セル６を支持するアキシャルベローズ、２５はアキシャルベローズ２４に接続するアキシャル配管、２６はラテラル方向に規準セル６を支持するラテラルベローズ、２７はラテラルベローズ２６に接続するラテラル配管である。アキシャルベローズ２４は、図６において、３系統に分かれており、各系統は図７に示すアキシャル配管２５によって連結している。この３系統のアキシャル配管には、図６において、２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの符号を付している。各系統毎に、アキシャルベローズ２４内の圧力は同一圧力となり、反射鏡アキシャル方向に規準セル６を支持する支持反力は一定となる。アキシャルベローズ２４を３系統設けることによって、規準セル６は、反射鏡アキシャル並進方向と規準セル面内の２軸まわりの回転が拘束される。また、基準セル６は、ラテラルベローズ２６によっても支持され、規準セル６の面内の１軸並進方向（図６に図示のラテラル方向：図６の上下方向）を拘束する。さらに、図７には図示しないベローズによって、規準セル６の面内の１軸並進方向（図６に図示のラテラル方向に直交する方向：図６の左右方向）、及び規準セル６の反射鏡アキシャル軸まわりの回転を拘束する。これらのベローズによって、規準セル６の剛体変位を拘束するとともに、ミラーセル５の変形によって受ける規準セル６の変形を抑制し、反射鏡装置の姿勢変化に伴う規準セル６の自重変形を抑えることができる。また、固定支持機構７や力支持機構８を採用した場合に比べて部品点数が少なく、規準セルを支持する構成を簡素化することができる。

本発明は、反射鏡を設けた光学及び電波望遠鏡装置や、通信を目的として反射鏡を設けた通信アンテナ装置に適用することができる。

Claims (6)

1. 複数の分割鏡を配置して形成する反射鏡と、この反射鏡を支持するミラーセルと、上記反射鏡と上記ミラーセルとの間に設けられた剛体であって、上記反射鏡の位置制御の基準面となる規準セルとを備えたことを特徴とする反射鏡装置。
2. 請求項１に記載の反射鏡装置において、さらに上記規準セルと上記ミラーセルとの間に３つの規準セル支持機構を備え、この規準セル支持機構は、上記反射鏡のアキシャル軸方向及び円周方向について上記規準セルを拘束することを特徴とする反射鏡装置。
3. 請求項２に記載の反射鏡装置において、さらに上記規準セルと上記ミラーセルとの間に、上記規準セルの自重変形をキャンセルするための力支持機構を備え、上記力支持機構は、ミラーセル上の支点に設けたアキシャルてこと、このアキシャルてこの端部を支点とし、一端を規準セルに連結したラテラルてことを具備したことを特徴とする反射鏡装置。
4. 請求項１に記載の反射鏡装置において、上記規準セルはハニカム構造を有し、このハニカム構造の各セル毎に、複数の分割鏡を支持するサブミラーセルを備えたことを特徴とする反射鏡装置。
5. 請求項４に記載の反射鏡装置において、さらに、上記サブミラーセルと上記分割鏡との間に、上記分割鏡を位置決めするアクチュエータを備えたたことを特徴とする反射鏡装置。
6. 請求項１に記載の反射鏡装置において、さらに上記規準セルと上記ミラーセルとの間に、上記規準セルを支持する流体圧支持機構を備えたことを特徴とする反射鏡装置。

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